李 志，張 晶，周 嚴(yán)，楊欣雨

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院·南京·210096；2.中國人民解放軍96962部隊(duì)·北京·102200)

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)[1]，也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，是一種尺寸為幾毫米甚至更小的高科技裝置，主要由傳感器、執(zhí)行器、信號處理與控制電路、通信和電源等器件構(gòu)成。MEMS諧振器指的是微機(jī)電系統(tǒng)中用于振動測量和控制的諧振器件，通常由微加工制造出來，具有很高的靈敏度和精度。MEMS諧振器基于固有頻率和振動模式，通常由一個(gè)或多個(gè)懸臂梁振子或叉形振子組成，用電路驅(qū)動并檢測其振蕩頻率或振幅變化[2]。與傳統(tǒng)的石英晶體諧振器相比，MEMS諧振器具有體積小、功耗低、加工簡便等優(yōu)點(diǎn)，因此，已被廣泛應(yīng)用于諸如慣性導(dǎo)航、加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器、生物傳感器等領(lǐng)域。在MEMS系統(tǒng)中，諧振器與其他微機(jī)電部件可以結(jié)合成為系統(tǒng)，并通過閉環(huán)控制等手段實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性的測量與控制[3-4]。MEMS諧振器輸出的頻率信號可與數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)直接相連，省去A/D轉(zhuǎn)換接口，而且頻率信號在傳輸過程中不容易出現(xiàn)失真誤差[5]，因此，具有廣闊的發(fā)展前景。

為了提高M(jìn)EMS諧振器的精度，實(shí)現(xiàn)頻率捕捉、跟蹤和幅度控制，需要閉環(huán)驅(qū)動控制來維持幅值穩(wěn)定振蕩。其閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能[6]：1)上電后，維持梳齒結(jié)構(gòu)工作在諧振頻率處，能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定跟蹤梳齒結(jié)構(gòu)諧振頻率變化；2)當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，梳齒結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定的諧振狀態(tài)，保證閉環(huán)系統(tǒng)的正常工作。

關(guān)于MEMS諧振器閉環(huán)驅(qū)動控制方法的研究，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞提高幅度控制效果和實(shí)現(xiàn)相位精確控制這兩個(gè)方面給出解決方案。

美國Drapper實(shí)驗(yàn)室開展諧振器的研制工作時(shí)間最早，其在2004年提出一種與雙質(zhì)量塊諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的接口電路，該電路采用AGC自動調(diào)幅方法實(shí)現(xiàn)自激驅(qū)動[7-8]，利用AGC自動幅度控制方法提供的穩(wěn)定幅值大大改善了諧振器頻率的穩(wěn)定性。

2007年，韓國國立大學(xué)公布了一種非線性控制的閉環(huán)幅度控制電路，并應(yīng)用在硅微諧振式加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺儀領(lǐng)域，其在相位調(diào)整的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)驅(qū)動以及幅度控制功能。在電路設(shè)計(jì)中，采用了鎖相環(huán)來使電路相位實(shí)現(xiàn)閉鎖，以及采用了自動增益來進(jìn)行幅度控制[9]。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)驅(qū)動電路的相位跟蹤和幅度控制，為閉環(huán)驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)高精度幅值穩(wěn)定和提高信噪比提供了思路。

2009年，韓國國立大學(xué)的S.Sung等[10]提出了一種新型諧振加速度計(jì)驅(qū)動檢測原理，其通過控制反饋回路的幅值增益來達(dá)到自動增益控制的效果，當(dāng)電路通電時(shí)，微弱噪聲信號使回路起振并工作在諧振頻率處，通過全波整流、低通濾波和PI控制功能模塊實(shí)現(xiàn)自動增益控制的效果。

國內(nèi)中北大學(xué)的李錦明提出了多種自動增益控制的電路方案，其中直流-交流自動增益控制和交流自動增益控制都在幅度控制性能上有很好的表現(xiàn)[11]。

2014年，東南大學(xué)的張印強(qiáng)等[12]以FPGA作為平臺實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動控制，采用數(shù)字PI算法進(jìn)行幅度控制，以及采用數(shù)字移相控制來滿足回路相位條件。在常溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，驅(qū)動幅度控制精度達(dá)到9×10-5，相比于傳統(tǒng)閉環(huán)驅(qū)動方法幅度控制效果明顯提升。同年，南京理工大學(xué)的楊亮等[13]提出了具有增益補(bǔ)償功能的數(shù)字化閉環(huán)驅(qū)動方法，將設(shè)計(jì)的增益補(bǔ)償算法，配合自動增益控制環(huán)節(jié)和鎖相環(huán)環(huán)節(jié)構(gòu)建了具有增益補(bǔ)償功能的數(shù)字化驅(qū)動閉環(huán)。后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動速度幅值的相對變化量由無增益補(bǔ)償時(shí)的7.29%降到了有增益補(bǔ)償時(shí)的0.12%，驗(yàn)證了具有增益補(bǔ)償功能的微機(jī)械陀螺數(shù)字化驅(qū)動閉環(huán)可以較大幅度地提高微機(jī)械陀螺標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。

東南大學(xué)的楊成等[14]在2015年設(shè)計(jì)了一種基于FPGA數(shù)字化雙閉環(huán)驅(qū)動控制電路，借助離散域分析方法，該電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鎖相環(huán)(Digital Phase-Locked Loop，DPLL)和數(shù)字自動增益控制(Digital Automatic Gain Control，DAGC)的驅(qū)動控制；通過計(jì)算出的參數(shù)與條件分別建立了基于離散域分析的相位控制模型和幅度控制模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驅(qū)動幅度控制精度達(dá)到了2×10-5，實(shí)現(xiàn)了高精度的控制效果。

2015年北京理工大學(xué)的丁春燕等[15]提出將模糊PID算法運(yùn)用在諧振器閉環(huán)控制回路中，以PID算法原理為基礎(chǔ)，采用模糊控制理論作為數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，并實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定。通過相關(guān)軟件設(shè)計(jì)完成了PID閉環(huán)控制器的調(diào)試，并基于模糊控制理論實(shí)現(xiàn)了PID控制系統(tǒng)的相關(guān)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定在0.1%～0.6%之間，穩(wěn)幅效果良好。

2022年東南大學(xué)的劉宸歌在設(shè)計(jì)MEMS諧振式加速度計(jì)控制環(huán)路時(shí)，基于傳統(tǒng)PID控制方法提出了一種基于果蠅算法改進(jìn)的模糊PID算法，以減小閉環(huán)系統(tǒng)中模糊PID控制的隨機(jī)誤差，改進(jìn)了果蠅算法編碼與尋優(yōu)步長訓(xùn)練過程，比較分析傳統(tǒng)模擬PID控制效果和基于優(yōu)化后的果蠅算法設(shè)計(jì)的PID控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)了的PID算法與普通模擬PID算法相比，響應(yīng)速度更快，調(diào)節(jié)時(shí)間減少了120s，說明了改進(jìn)的模擬PID算法在擾動干擾下比普通PID相比恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間更短，性能更優(yōu)秀[16]。

研究表明，在自激振蕩環(huán)節(jié)中引入鎖相環(huán)回路來控制相移，或是在檢測端檢測電流輸出時(shí)減小相移，可以提高諧振式加速度計(jì)的幅度控制效果，實(shí)現(xiàn)相位精確控制。此外，還有一些其他的方案，例如使用濾波器、限幅器和自適應(yīng)控制算法[17]等，不僅能提高控制精度，還可以減小相位干擾和噪聲。本文擬通過對不同驅(qū)動方式進(jìn)行仿真分析，并對直流-交流自動增益控制系統(tǒng)的PI控制參數(shù)進(jìn)行求取，來得到理想的工作曲線，最后將幾種閉環(huán)驅(qū)動方法仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，總結(jié)得出最適用于MEMS諧振器的閉環(huán)驅(qū)動方法。

1 諧振器模型搭建

以南京理工大學(xué)MEMS慣性技術(shù)研究中心研制的諧振器結(jié)構(gòu)[18]為例，諧振器通過諧振梁振動頻率發(fā)生變化反映外界加速度。諧振器采用雙端固定音叉結(jié)構(gòu)(Double-Ended Tuning Fork，DETF)，由諧振梁及其動梳齒結(jié)構(gòu)組成。在諧振梁的動梳齒兩側(cè)對稱分布相等數(shù)量的定梳齒，分別定義為驅(qū)動梳齒和檢測梳齒。動梳齒和定梳齒各自引出電極，提供直流偏置電壓，使得二者之間形成電壓差，從而構(gòu)成驅(qū)動電容和檢測電容。驅(qū)動梳齒由交流電壓驅(qū)動，產(chǎn)生周期性變化的靜電驅(qū)動力吸引或排斥諧振梁上的動梳齒，使諧振梁按照其固有頻率振動，檢測梳齒敏感到動梳齒產(chǎn)生的電容變化輸出檢測電流。

本文研究的諧振器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，圖1(b)呈現(xiàn)驅(qū)動電壓作用下梳齒結(jié)構(gòu)具體參數(shù)示意圖，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1[19]所示。

(a) 諧振器結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 梳齒結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖圖1 諧振器結(jié)構(gòu)及局部梳齒示意圖Fig.1 Resonator structure and local comb diagram

表1 梳齒結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Comb tooth structure parameters

該諧振器在靜電驅(qū)動作用下進(jìn)行簡諧振動，其運(yùn)動學(xué)模型可以等效為一個(gè)二階質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)[20]，其運(yùn)動微分方程為

(1)

其中，m為諧振器等效質(zhì)量，c為系統(tǒng)的阻尼，k為等效剛度，F(xiàn)為質(zhì)量塊受到的靜電驅(qū)動力。

對式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換，得到

(2)

為得到驅(qū)動電壓到檢測電流的傳遞函數(shù)關(guān)系式，還應(yīng)根據(jù)諧振器尺寸參數(shù)求得驅(qū)動電壓到靜電驅(qū)動力的傳遞函數(shù)和檢測端位移量到檢測電流之間的傳遞函數(shù)關(guān)系式[21]。

驅(qū)動交流電壓到靜電驅(qū)動力的傳遞系數(shù)為

(3)

其中，N為諧振器梳齒個(gè)數(shù)，ε為材料的介電常數(shù)，h為梳齒寬度，b為敏感結(jié)構(gòu)厚度，g為梳齒間隙，d1為梳齒未重合部分長度，Vdc為直流偏置。

檢測位移到檢測電流之間的傳遞系數(shù)為

(4)

聯(lián)立式(2)、(3)、(4)可得驅(qū)動電壓到檢測電流的傳遞函數(shù)為

(5)

得到了驅(qū)動電壓到檢測電流的傳遞函數(shù)后，即可利用仿真軟件搭建二階系統(tǒng)模型進(jìn)行后續(xù)的仿真處理。式(5)中涉及的具體諧振器參數(shù)如表2所示。

表2 諧振器參數(shù)Tab.2 Resonator parameters

2 搭建閉環(huán)驅(qū)動仿真模型

將諧振器輸出的檢測電流進(jìn)行從電流到電壓的轉(zhuǎn)換放大并作為驅(qū)動電壓反饋到驅(qū)動梳齒上的過程即為閉環(huán)驅(qū)動。諧振器經(jīng)過真空封裝，品質(zhì)因數(shù)為20402。品質(zhì)因數(shù)越高，越容易產(chǎn)生自激振蕩[22]。除此之外，自激振蕩條件[23]還應(yīng)滿足環(huán)路總增益|AF|=1，環(huán)路總相移φ=2nπ ，其中A代表諧振器的傳遞函數(shù)，F(xiàn)代表反饋電路傳遞函數(shù)。相位條件：檢測端直接檢測梳齒電容變化的電流量，即梳齒電容采用速度檢測模式，這相當(dāng)于對位移信號的微分，會產(chǎn)生90°的相移，而當(dāng)靜電力施加在諧振器上時(shí)，振動位移信號將滯后驅(qū)動信號90°，最終，諧振器從交流驅(qū)動電壓到檢測電流的相移為0°。環(huán)路增益條件由自動增益控制環(huán)路來實(shí)現(xiàn)。下文對幾個(gè)自動增益控制方法進(jìn)行仿真分析。

2.1 無自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動

自激振蕩電路分為無自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動、自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動。如圖2所示，在仿真軟件中搭建無AGC自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動模塊。

圖2 無自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動Fig.2 Closed-loop drive without automatic gain control

交流驅(qū)動電壓作用到驅(qū)動梳齒端產(chǎn)生靜電驅(qū)動力，質(zhì)量塊發(fā)生水平運(yùn)動，右側(cè)梳齒電容發(fā)生變化產(chǎn)生檢測電流，該電流經(jīng)過二階跨阻放大電路完成電流-電壓轉(zhuǎn)化。再經(jīng)過限幅電路產(chǎn)生限幅方波，將限幅方波加到驅(qū)動梳齒端達(dá)到正反饋目的，進(jìn)而產(chǎn)生自激振蕩。該電路需要微弱信號達(dá)到起振作用，在仿真軟件中采用階躍信號模塊產(chǎn)生微弱信號。

無自動增益控制的閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)簡單，容易振蕩，引入噪聲源較少，但是上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都很長。且因?yàn)闆]有自動增益控制，當(dāng)諧振頻率發(fā)生變化，在仿真時(shí)間2.6s處將諧振頻率由20.5kHz調(diào)整到30kHz時(shí)，如圖4所示，幅值穩(wěn)定效果差，容易造成諧振器上非線性振動。因此，無自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動適用于信號源穩(wěn)定、動態(tài)范圍要求不高的場景。

圖3 無AGC的閉環(huán)驅(qū)動仿真結(jié)果Fig.3 Closed-loop drive simulation results without AGC

圖4 改變諧振頻率仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of changing resonant frequency

2.2 直流-交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動

諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動的自動增益控制方法能夠在振動幅度降低時(shí)，通過提高驅(qū)動電壓來增加靜電驅(qū)動力，從而使振幅增大達(dá)到負(fù)反饋效果。反之，當(dāng)振幅增加時(shí)，通過降低驅(qū)動電壓來減小靜電驅(qū)動力，從而達(dá)到幅值穩(wěn)定。這里分別對直流-交流自動增益控制方法和交流自動增益控制方法進(jìn)行仿真分析。

圖5為直流-交流自動增益控制的閉環(huán)回路，驅(qū)動檢測電流通過前端放大電路輸出電壓信號，電壓信號經(jīng)過全波整流、低通濾波后與參考電壓相減，再經(jīng)過PI控制電路輸出控制量，其控制量與經(jīng)過前端放大電路的電壓信號相乘輸出驅(qū)動電壓作用在驅(qū)動梳齒上。當(dāng)振動幅值發(fā)生變化時(shí)，其AGC回路控制幅值維持在恒定值，PI控制電路可以有效地穩(wěn)定振幅，且可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間，通過調(diào)整PI控制參數(shù)，可以使系統(tǒng)阻尼比維持在理想狀態(tài)，控制效果有所改善。

圖5 直流-交流自動增益控制閉環(huán)驅(qū)動Fig.5 DC-AC automatic gain control closed-loop drive

為了在階躍響應(yīng)中得到更為直觀的響應(yīng)曲線，可以將傳遞函數(shù)簡化為關(guān)于幅值的傳遞函數(shù)，只關(guān)注幅值變化曲線。

傳遞函數(shù)H(s)是諧振器的傳遞函數(shù)，當(dāng)諧振器工作在諧振頻率處時(shí)，可以把靜電驅(qū)動力到位移關(guān)于幅值的傳遞函數(shù)寫為[21]

(6)

同時(shí)，從交流驅(qū)動電壓幅值到交流檢測幅值的諧振器傳遞函數(shù)Hamp(s)包括以下三個(gè)元素：1)交流驅(qū)動電壓到靜電驅(qū)動力的傳遞系數(shù)KV/F；2)靜電驅(qū)動力到位移關(guān)于幅值的傳遞函數(shù)Famp(s)；3)諧振器振動位移到檢測交流的傳遞函數(shù)KI/X。三個(gè)元素相關(guān)聯(lián)，構(gòu)成諧振器交流驅(qū)動電壓幅值到交流檢測幅值的傳遞函數(shù)為

(7)

L(s)=KaKuHamp(s)HPI(s)Famp(s)

(8)

PI控制參數(shù)設(shè)為kp=1，ki=30，環(huán)路增益K1待確定，低通濾波模塊的截止頻率為300Hz，前向放大增益設(shè)為2×107。將參數(shù)代入式(8)可得

(9)

反饋控制系統(tǒng)動態(tài)特性取決于閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)分布，根軌跡法[24]能夠通過閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)隨開環(huán)增益從0至∞變化在s平面上產(chǎn)生的軌跡來確定環(huán)路最佳增益。

根據(jù)式(9)繪制了如圖6所示的根軌跡圖。

圖6 系統(tǒng)傳遞函數(shù)根軌跡圖Fig.6 System transfer function root trajectory graph

由圖6可以看出，系統(tǒng)的特征根都在s平面左側(cè)，所以無論環(huán)路增益如何變化系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。開環(huán)系統(tǒng)在坐標(biāo)原點(diǎn)有一個(gè)極點(diǎn)，為Ⅰ型系統(tǒng)，在輸入為階躍信號的情況下，穩(wěn)態(tài)誤差為0。當(dāng)環(huán)路增益在0.532時(shí)，系統(tǒng)阻尼比為0.707，系統(tǒng)性能達(dá)到了最佳狀態(tài)。

在仿真軟件中搭建仿真模型如圖7所示，當(dāng)選取環(huán)路增益為0.532時(shí)，其階躍響應(yīng)超調(diào)量約為12%。

圖7 幅度控制環(huán)路仿真模型Fig.7 Amplitude control loop simulation model

將所有系數(shù)代入圖5所示的閉環(huán)驅(qū)動環(huán)路，得到的仿真波形如圖8所示。其上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間分別為0.008s和0.214s，相比于無自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動方式系統(tǒng)響應(yīng)速度有明顯提升，且因?yàn)榧尤肓薖I控制電路，響應(yīng)波形可以通過改變系統(tǒng)參數(shù)來改善。當(dāng)諧振頻率發(fā)生波動時(shí)，如圖9所示，在2.58s處諧振頻率由20.5kHz調(diào)整到30kHz，調(diào)整時(shí)間為0.105s，幅值無變化。由仿真結(jié)果可以看出，該閉環(huán)驅(qū)動方式較無自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動方式穩(wěn)定性更好。

圖8 閉環(huán)驅(qū)動仿真結(jié)果Fig.8 Closed-loop drive simulation results

圖9 改變諧振頻率仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of changing resonant frequency

2.3 交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動

直流-交流自動增益控制方法的穩(wěn)幅效果很好，但其也有一定的局限性：1)器件眾多，不適于整體的小型化發(fā)展；2)環(huán)路中存在乘法器，會產(chǎn)生較高功耗，不能滿足低功耗目的。但交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)簡單、模塊單一、穩(wěn)幅效果好。

圖10為交流自動增益控制的仿真模型[11]，左側(cè)驅(qū)動模塊產(chǎn)生靜電驅(qū)動力作用在梳齒上產(chǎn)生水平運(yùn)動，右側(cè)檢測梳齒輸出檢測電流，檢測電流通過前置放大電路完成電流和電壓信號轉(zhuǎn)換，該信號通過增益模塊和限幅模塊轉(zhuǎn)換為方波信號，然后輸入減法模塊中與前置放大電路輸出信號相減，輸出的差值信號再經(jīng)過增益模塊和限幅模塊產(chǎn)生方波信號。

圖10 交流自動增益控制仿真模型Fig.10 Simulation model of AC automatic gain control

其中，k1主要影響方波的波形，當(dāng)k1越大，方波波形越理想。k2主要影響自激振蕩的調(diào)節(jié)時(shí)間，增大k2數(shù)值，輸出波形的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短。但提高增益會同時(shí)放大噪聲信號，不利于降低信噪比。所以增益選取應(yīng)適量，當(dāng)k1=2，k2=10時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間為7.035ms，上升時(shí)間為1.466ms，如圖11所示。

圖11 驅(qū)動仿真結(jié)果局部放大圖Fig.11 Partial enlarged view of drive simulation results

方波信號的周期和占空比可以控制其平均值，因此可以通過改變占空比(方波寬度)來改變平均值，并控制輸出信號的幅度。具體來說，當(dāng)輸入信號的幅度大于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，將會導(dǎo)致反饋回路的增益系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而改變輸出信號的幅度。此時(shí)，可以引入反饋控制，通過更改方波寬度來實(shí)現(xiàn)輸入信號的幅度控制，從而達(dá)到信號的穩(wěn)幅效果。

總之，通過交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動并結(jié)合方波寬度控制，可以實(shí)現(xiàn)諧振器的自適應(yīng)穩(wěn)幅效果，提高輸出信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

當(dāng)諧振頻率從20.5～30kHz變化時(shí)，其仿真波形如圖12所示，穩(wěn)幅時(shí)間為3.592ms，穩(wěn)幅效果比較理想。

圖12 諧振頻率變化仿真局部放大圖Fig.12 Partial enlarged simulation of resonant frequency changes

2.4 三種閉環(huán)控制方法分析比較

對直流自動增益控制、直流-交流自動增益控制和交流自動增益控制方法在仿真中得到的結(jié)果進(jìn)行歸納分析，如表3所示。上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都表征了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，當(dāng)上升時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間越短，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，穩(wěn)幅時(shí)間反映了閉環(huán)驅(qū)動回路抗干擾、維持幅值穩(wěn)定能力，是閉環(huán)驅(qū)動回路的重要指標(biāo)[25]。

表3 三種驅(qū)動方式仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of three drive modes

由表3可以看出，無自動增益控制的閉環(huán)回路響應(yīng)速度慢、穩(wěn)幅效果差；但由于結(jié)構(gòu)簡單，噪聲源少，當(dāng)信號源不易受到外界影響時(shí)，使用無自動增益控制的閉環(huán)回路可以更加穩(wěn)定地接收信號。該方法可以解決在高穩(wěn)定性要求的場景中，電路因環(huán)境因素等干擾引起的偏差問題。該方法不進(jìn)行信號補(bǔ)償調(diào)整，適用于信號源穩(wěn)定、動態(tài)范圍要求不高的情況。交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動響應(yīng)速度最快，這是因?yàn)榻涣髯詣釉鲆婵刂苾H有放大模塊和限幅模塊，沒有賦值調(diào)制模塊，僅對交流信號進(jìn)行自動增益控制，相比于直流-交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動減少了系統(tǒng)延時(shí)。該方法主要是為了解決在處理包含不同頻段信號時(shí)，不同頻段的信號被過度補(bǔ)償導(dǎo)致整體信號失真的問題。只對交流信號進(jìn)行控制，可以更好地保持整體信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。但實(shí)際上，信號中包含噪聲等干擾成分，會導(dǎo)致閉環(huán)驅(qū)動回路增益系數(shù)頻繁變化，進(jìn)而影響輸出信號的穩(wěn)定性。而對于直流-交流自動增益控制方法，環(huán)路通過PI控制實(shí)現(xiàn)幅值穩(wěn)定，有效提高系統(tǒng)的信噪比。該方法適用于在接收弱信號時(shí)，信號的變化范圍比較大，要求輸入信號幅值范圍擴(kuò)大的場景。

3 結(jié) 論

本文對三種閉環(huán)驅(qū)動方法進(jìn)行了仿真分析，測量了仿真數(shù)據(jù)，比較了三種閉環(huán)驅(qū)動方法的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)幅效果。對于諧振式加速度計(jì)，交流自動增益控制和直流-交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動方法都能很好滿足其工作要求。直流-交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動與交流自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動相比，信號的穩(wěn)定性更好，適用于測量精度要求較高的應(yīng)用場合，在測量加速度、速度、位移等信號時(shí)，直流-交流自動增益控制方法更為適用。直流-交流自動增益控制方法可以根據(jù)信號的直流和交流分量分別控制反饋回路增益，從而在測量過程中更精確地抑制干擾信號的影響，提高信號檢測的準(zhǔn)確性。

本文暫未對噪聲信號對驅(qū)動環(huán)路的影響進(jìn)行仿真分析，也暫未考慮實(shí)際電路設(shè)計(jì)中可能會遇到的工程問題，這些將在后續(xù)工作中進(jìn)行詳細(xì)研究。諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動控制電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是諧振式加速度計(jì)研究中的關(guān)鍵問題之一，有各種合適的算法和電路設(shè)計(jì)方案可以參考，未來的研究將繼續(xù)探索更加高效和穩(wěn)定的方案。